基于CAN總線的離散量接口顯控終端設計

文/崔曉宇 祁萬龍 翟二寧 馬海峰 王俊森

1 引言

火炮控制設備的執行輸入一般多為離散量，采用開關或按鍵作為火炮執行機構的控制使能輸入或位置狀態反饋，各控制設備自行采樣，信息相互透明，不便于火炮武器系統健康管理。并且火炮武器在作戰使用時，為保證系統安全，機構動作之間存在安全聯鎖控制，在安全聯鎖條件不滿足的情況下機構動作禁止執行，操作人員在操作開關、按鍵的過程中往往因缺少反饋經常遇到操作后執行機構無反應的現象，增加了操作人員的使用難度，降低了火炮武器的作戰效能。為解決上述問題，本文根據火炮武器常用的系統總線網絡，設計了一種基于CAN 總線的離散量接口顯控終端，通過集中采集和接收各控制設備通過CAN 總線發送的執行機構狀態信息，為操作人員提供信息顯示，實現系統共享操作信息資源，便于火炮武器故障分析以及健康管理。

2 總體架構

終 端 以Samsung 公 司 的ARM 芯 片S3C2440 最小系統電路為硬件核心，用于數據處理、協議轉換、定時發送、顯示刷新等，外擴了24 路離散量輸入接口電路，用于手動開關或按鍵等的信號采集；16 路離散量輸出接口電路，用于指示燈、繼電器等驅動控制；2路CAN 總線接口電路，用于雙CAN 冗余或網絡橋接； 2 路RS485 接口電路，用于外部接口適配或接口轉換；1 路OLED 接口電路，用于信息提示及狀態監控；實現了對離散量的采集與驅動輸出、CAN 總線通信、OLED 顯示等功能，終端總體架構如圖1所示。

表1：CAN 接口性能測試結果匯總

3 硬件設計

3.1 S3C2440最小系統

S3C2440 最小系統選用TQ2440 核心處理板，該板集成了韓國SAMSUNG 公司出品的32bit ARM920T 控制芯片S3C244、Micron 公司的64M SDRAM 芯片MT48LC16M16A2P-75IT、Silicon 公 司 的8M NORFLASH 芯 片SST39VF6401B-70-4I-EKE 與SAMSUNG 公司的256M NAND FLASH 芯片K9F2G08UOCSIBO，工作頻率499M，最高頻率533MHz，具有3 路UART 接口，2 路USB 接口，2 路SPI 接口與130 路I/O 復用端口。

3.2 離散量輸入接口電路

因火炮供電體系為28V 直流，供電范圍為18 至36V，車體共地，且武器使用的環境惡略，電磁環境復雜，如僅憑傳統RC 濾波對輸入信號進行干擾抑制，不能有效防止因功率設備運行時對離散量信號參考電平造成擾動，導致輸入幅度整體拉升，信號輸入邏輯判斷錯誤的問題。為解決上述問題，優化設計了一種離散量輸入接口電路，如圖2所示。

圖1：終端總體架構圖

該電路采用齊納二極管、電阻、電容、光電耦合器實現輸入信號的濾波、門限檢測、隔離等信號調理功能。齊納二極管設置了輸入門限，輸入門限為15V，只允許輸入電平高于15V 的離散量信號輸入，再通過電阻、電容組合濾波，抑制干擾，經過光電耦合器對外部信號輸入端與ARM 采樣控制端進行物理隔離。當IN 輸入高電平時，光耦芯片導通，ARM 輸入引腳對地短接為低電平，IN 輸入低電平時，光耦芯片不導通，ARM 輸入引腳上拉為高電平 。

3.3 離散量輸出接口電路

圖2：離散量輸入接口電路

圖3：離散量輸出接口電路

圖4：CAN 總線接口電路

圖5：RS485 總線接口電路

顯控終端16 路離散量輸出接口主要用于指示燈、接觸器等驅動控制，接口電路如圖3所示，采用AQY210KS 光耦繼電器，具備短路保護功能，電流連續輸出能力可達0.12A，接通最大時間可小于2ms，關斷最大時間可小于1ms。當IN 端輸入3.3V 高電平時，光耦繼電器導通輸出24V。電路中通過在24V 驅動電源輸入端串接自恢復保險，實現驅動電路的過流雙保護，保護后能自動恢復，無需經常更換。

3.4 CAN總線接口電路

CAN 總線接口電路實現原理如圖4所示。電路設計中采用Microchip 公司的MCP2515芯片作為CAN 總線控制器，該芯片可通過SPI 接口與ARM 處理器實現通信；通過ADM3053 芯片實現CAN 總線接口的驅動隔離，進行多路CAN 總線接口的擴展。

MCP2515 芯片為獨立CAN 總線控制芯片，符合CAN 2.0B 總線 技術規范要求，帶有標準SPI 接口。該芯片能夠收發擴展幀、標準幀以及遠程幀，并帶有六個驗收濾波寄存器和兩個驗收屏蔽寄存器，能過濾掉不需要的無用報文，減少處理器的開銷。MCP2515 具有多種工作模式，通過監聽模式，能夠實現對CAN 總線網絡波特率的自動檢測。

ADM3053 芯片是一種自帶隔離的CAN物理層收發器，滿足ISO 11898 協議標準。該芯片應用了‘iCoupler’磁耦隔離技術，并結合二通道隔離器、CAN 收發器和DC/DC 轉換器于單片SOIC 表貼封裝中，可有效減少板載面積；通過芯片內部的DC/DC 轉換器能夠為芯片自身提供隔離電源，隔離電壓可達2.5KV。

3.5 RS485總線接口電路

RS485 總線接口電路如圖5所示，通過ARM 芯片的UART 接口外擴ADI 公司的ADM2587 芯片實現。ADM2587 擁有高集成度數據收發功能，支持±15KV ESD 保護以及信號與電源隔離功能，集成了隔離DC/DC 轉換器，無需另外擴展DC-DC 隔離模塊，即可實現485/422 信號與電源隔離功能。另外該芯片還具有開路、短路故障保護功能，可有效防止外部故障導致的芯片損壞。

3.6 OLED接口電路

OLED 顯示屏選用的UG-2864ASYGG14模塊，內部集成SSD1309 點陣驅動控制芯片，可顯示128*64 的點陣圖形，顯控終端控制接口能通過ARM 芯片數據總線直接互聯，供電電壓為最大不超過15V，需要設計能為UG-2864ASYGG14 模塊供電的OLED 接口電路，OLED 供電接口電路實現原理如圖6所示。

圖中電源適配接口芯片選用TPS61040 開關升壓轉換器，將輸入1.8V 至6V 的輸入電壓調節輸出為12.45V 電壓，通過外部電阻的匹配設置，輸出電壓最低可調為1.233V，最大可調為28V，輸出電壓依據計算

公式1：

當R1 取910kΩ，R2 取100kΩ 時，芯片內部參考電壓Vref=1.233V，計算可得輸出電壓為12.45V。

4 主程序軟件設計

主程序應用軟件采用C 語言在ADS1.2 集成開發環境中編程設計，主要實現離散量接口信號輸入采集、輸出驅動，CAN 總線接口與RS485 接口收發離散量狀態信號，對離散量信號的邏輯處理機狀態信息、提示信息顯示等功能。主程序軟件流程圖如圖7所示。

5 測試結果

顯控終端研制完畢，加電啟動，OLED 顯示主界面如圖8所示，表明OLED 接口電路與驅動軟件設計達到預期效果，且通過對界面切換按鍵的離散量信號采集，能在主界面與次界面間切換顯示，實現故障狀態查詢。

為了驗證CAN 總線接口與RS485 接口硬件電路與驅動軟件的正確性，本設計采用ZLG CANTest 與串口調試助手對CAN 總線接口與RS485 接口的硬件設計、驅動設計及協議轉化功能進行了驗證，經過100000 次的循環測試，數據傳輸正確，無丟包。通過使用YOKOGAWA 總線分析儀與CANStressDR 網絡干擾儀對CAN 接口的物理層及數據鏈路層進行了測試驗證，驗證接口電路設計是否滿足《SEA J1939-11 Revised OCT1999 標準》的要求，測試用例以及合格性判據如表1所示，測試波形如圖9所示。

6 結束語

基于CAN 總線的離散量接口顯控終端已成功應用于某型車載火炮武器與履帶式自行火炮武器系統中，實現了對離散量的采集與驅動輸出、CAN 總線通信、OLED 顯示等功能，能夠為操作人員提供操作提示信息，系統狀態信息等，便于火炮的日常維護、故障診斷，具有體積小、成本低、穩定可靠、便于實現等特點。

圖6：OLED 供電接口電路

圖7：軟件流程圖

圖8：OLED 顯示主界面

圖9：CAN 總線接口試驗波形